Conception de machines : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 12 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Engrenages et trains d’engrenages

Roues en prise
n1·N1 = n2·N2
Couple
T2 = T1·(N2/N1)·η
Puissance
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Train composé
rapport total = produit des rapports de chaque étage

Torsion des arbres

Contrainte de cisaillement
τ = T·r/J
Arbre plein
J = πd⁴/32
Arbre creux
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Angle de torsion
φ = TL/(GJ)
Puissance
P = T·ω = 2πnT/60

Méthode

  1. Trouvez le moment quadratique polaire : J = πd⁴/32 pour un arbre plein.
  2. Contrainte de cisaillement en surface : τ = T·r/J, avec r le rayon extérieur.
  3. Angle de torsion : φ = TL/(GJ) en radians.
  4. Si la puissance est donnée, trouvez d’abord le couple avec P = T·ω, ω = 2πn/60.

Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Centre
C = (σx + σy)/2
Rayon
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Contraintes principales
σ1,2 = C ± R
Direction principale
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Facette inclinée
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Méthode

  1. Calculez le centre du cercle de Mohr : C = (σx + σy)/2.
  2. Calculez le rayon : R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Les contraintes principales valent C ± R et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.
  4. Les angles sur le cercle sont le double des angles sur l’élément : tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Contrainte et déformation axiales

Contrainte normale
σ = F/A
Déformation
ε = ΔL/L
Loi de Hooke
σ = E·ε
Allongement
ΔL = FL/(EA)
Déformation thermique
εT = α·ΔT

Flambement des poteaux

Charge critique d’Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Coefficient de longueur de flambement
K = 1 articulé–articulé, 0,5 encastré–encastré, 0,7 encastré–articulé, 2 encastré–libre
Contrainte critique
σcr = Pcr/A
Élancement
λ = KL/r, r = √(I/A)

Vibrations mécaniques

Fréquence propre
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
À partir de la flèche statique
ωn = √(g/δst)
Amortissement critique
cc = 2√(km) = 2mωn
Taux d’amortissement
ζ = c/cc
Fréquence amortie
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Décrément logarithmique
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Ressorts en parallèle
k = k1 + k2
Ressorts en série
1/k = 1/k1 + 1/k2

2Exercices

1.Engrenages et trains d’engrenagesMoyen
d1​ = 125 mmd2​ = 315 mm720 rpmn2​ = ?

Une poulie de 125 mm tournant à 720 tr/min entraîne une poulie de 315 mm par une courroie avec 1,5 % de glissement. Trouvez la vitesse n2 de la poulie menée.

n1 = 720 rpmd1 = 125 mmd2 = 315 mms = 1,5 %
n2 = rpm
2.Engrenages et trains d’engrenagesDifficile
d1​ = 100 mmd2​ = 300 mm1450 rpmC = 800 mmT1​ = 1500 NT2​P = ?

Une courroie ouverte relie une poulie motrice de 100 mm tournant à 1450 tr/min à une poulie de 300 mm ; les centres sont distants de 800 mm. Le coefficient de frottement est 0,35 et la tension du brin tendu ne doit pas dépasser 1500 N. Trouvez la plus grande puissance P que la courroie peut transmettre sans glisser, en kW (négligez les effets centrifuges).

d1 = 100 mmn1 = 1450 rpmd2 = 300 mmC = 800 mmμ = 0,35T1 = 1500 N
P = kW
3.Torsion des arbresMoyen
T = 100 N·md = 30 mmL = 1 mφ = ?

Un arbre plein en aluminium est encastré dans le mur et tordu par un couple T à son extrémité libre. Trouvez l’angle de torsion φ de l’extrémité libre, en degrés.

T = 100 N·md = 30 mmL = 1 mG = 26 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
do​ = ?5 kW, 1450 rpm

Un arbre creux doit transmettre 5 kW à 1450 tr/min. Son diamètre intérieur doit valoir 0,7 fois son diamètre extérieur, et la contrainte de cisaillement ne doit pas dépasser 50 MPa. Trouvez le plus petit diamètre extérieur do.

P = 5 kWN = 1450 rpmdi/do = 0,7τallow = 50 MPa
do = mm
5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 110σy​ = −20τxy​ = 30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 110 MPa, σᵧ = −20 MPa et τₓᵧ = 30 MPa (traction positive). Trouvez l’angle θp entre l’axe x et la direction de la plus grande contrainte principale, compris entre −90° et 90°.

σx = 110 MPaσy = −20 MPaτxy = 30 MPa
θp = °
6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = −50σy​ = 70τxy​ = 50MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −50 MPa, σᵧ = 70 MPa et τₓᵧ = 50 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement τθ sur une facette dont la normale est tournée de 35° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x (positive dans le même sens que τₓᵧ).

σx = −50 MPaσy = 70 MPaτxy = 50 MPaθ = 35°
τθ = MPa
7.Contrainte et déformation axialesMoyen
Ø 30 mmAluminium2,5 mP = 60 kN

Trouvez l’allongement δ de la barre en aluminium sous l’effort axial.

P = 60 kNd = 30 mmL = 2,5 mE = 70 GPa
δ = mm
8.Contrainte et déformation axialesDifficile
30 kN12400 mm500 mmØ40Ø60σ2​ = ?

Un tronçon en acier (diamètre 40 mm, longueur 400 mm, E = 200 GPa) et un tronçon en bronze (diamètre 60 mm, longueur 500 mm, E = 110 GPa) sont assemblés bout à bout et fixés entre deux murs rigides. Une charge axiale de 30 kN agit à la jonction, vers le tronçon 2. Trouvez la valeur absolue de la contrainte σ2 dans le tronçon 2.

tronçon 1: acier, Ø40 mm, 400 mm, E = 200 GPatronçon 2: bronze, Ø60 mm, 500 mm, E = 110 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 1,5 md = 50 mmsection

Un poteau de longueur L en acier est articulé aux deux extrémités. Avec la formule d’Euler, trouvez sa charge critique de flambement Pcr.

L = 1,5 mE = 200 GPa (acier)d = 50 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 75 kNL = 6 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en aluminium est articulé aux deux extrémités. Il doit porter 75 kN avec un coefficient de sécurité de 2 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 75 kNn = 2L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
11.Vibrations mécaniquesMoyen
k = 10 kN/mζ = 0,7m = 100 kg

Une masse de 100 kg sur un ressort de raideur 10 kN/m est munie d’un amortisseur visqueux qui donne un taux d’amortissement de 0,7. Trouvez la fréquence propre amortie fd de ses vibrations libres, en Hz.

m = 100 kgk = 10 kN/mζ = 0,7
fd = Hz
12.Vibrations mécaniquesDifficile
k1​ = 30k2​ = 30k3​ = 25m = 50 kg

Une masse de 50 kg est suspendue au ressort k₃ = 25 kN/m. Le haut de k₃ est fixé à une barre rigide suspendue à deux ressorts côte à côte, k₁ = 30 kN/m et k₂ = 30 kN/m ; la barre reste horizontale. Négligez l’amortissement et les masses des ressorts et de la barre. Trouvez la fréquence propre fn des vibrations verticales, en Hz.

m = 50 kgk1 = 30 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3Solutions

1.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: n2 = 281,4 rpm

Transmissions par courroie : sans glissement, les deux poulies ont la même vitesse périphérique v = π·d·n/60, donc n₁·d₁ = n₂·d₂ et le rapport de vitesses vaut d₂/d₁. Le glissement s ralentit un peu la poulie menée : n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La puissance transmise est P = (T₁ − T₂)·v, avec T₁ la tension du brin tendu et T₂ celle du brin mou. Le frottement limite le rapport des tensions : T₁/T₂ = eμθ, où θ est l’angle d’enroulement en radians sur la plus petite poulie ; pour une courroie ouverte, θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) avec l’entraxe C.

Vitesse sans glissement

720·125/315 = 285,7 rpm

Avec glissement

n2 = 285,7·0,985 = 281,4 rpm

Réponse

n2 = 281,4 rpm
2.Engrenages et trains d’engrenages

Réponse: P = 7,248 kW

Transmissions par courroie : sans glissement, les deux poulies ont la même vitesse périphérique v = π·d·n/60, donc n₁·d₁ = n₂·d₂ et le rapport de vitesses vaut d₂/d₁. Le glissement s ralentit un peu la poulie menée : n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). La puissance transmise est P = (T₁ − T₂)·v, avec T₁ la tension du brin tendu et T₂ celle du brin mou. Le frottement limite le rapport des tensions : T₁/T₂ = eμθ, où θ est l’angle d’enroulement en radians sur la plus petite poulie ; pour une courroie ouverte, θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) avec l’entraxe C.

Angle d’enroulement

θ = 2,891 rad

Tension du brin mou

eμθ = e1,012 = 2,751, T₂ = 1500/2,751 = 545,3 N

Puissance

P = (1500 − 545,3)·7,592 = 7,248 kW

Réponse

P = 7,248 kW
3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 2,771 °

Torsion des arbres circulaires : la contrainte de cisaillement croît linéairement de zéro au centre jusqu’à τmax = T·r/J en surface, avec J = πd⁴/32 pour un arbre plein et J = π(do⁴ − di⁴)/32 pour un arbre creux. L’angle de torsion vaut φ = TL/(GJ) en radians. Puissance et couple sont liés par P = T·ω.

Moment quadratique polaire

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Angle de torsion

φ = TL/(GJ) = 100·1000·1000/(26000·79522) = 0,04837 rad
φ = 0,04837·180/π = 2,771°

Réponse

φ = 2,771°
4.Torsion des arbres

Réponse: do = 16,4 mm

Torsion des arbres circulaires : la contrainte de cisaillement croît linéairement de zéro au centre jusqu’à τmax = T·r/J en surface, avec J = πd⁴/32 pour un arbre plein et J = π(do⁴ − di⁴)/32 pour un arbre creux. L’angle de torsion vaut φ = TL/(GJ) en radians. Puissance et couple sont liés par P = T·ω.

Couple

ω = 2πN/60 = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 5000/151,8 = 32,93 N·m

Diamètre extérieur à partir de la contrainte admissible

T = 32,93 N·m = 32929 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·32929/(π·50·0,7599)) = 16,4 mm
di = 0,7·16,4 = 11,48 mm

Réponse

do = 16,4 mm

Un arbre plein nécessiterait d = 14,97 mm ; l’arbre creux est un peu plus gros mais beaucoup plus léger.

5.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θp = 12,39 °

Changement de repère en contraintes planes : sur une facette tournée de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Le cercle de Mohr représente toutes les facettes à la fois : son centre est en C = (σₓ + σᵧ)/2 et son rayon vaut R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Les contraintes principales valent C ± R, et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.

στxyCσ1​σ2​

Angle sur le cercle

Sur le cercle de Mohr, le point x se trouve à un angle 2θp de l’axe σ ; le quadrant découle des signes de σₓ − σᵧ et de τₓᵧ.

2θp = atan2(2·30, 110 − −20) = 24,78°

Angle sur l’élément

θp = 12,39°

Réponse

θp = 12,39°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

6.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τθ = 73,48 MPa

Changement de repère en contraintes planes : sur une facette tournée de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Le cercle de Mohr représente toutes les facettes à la fois : son centre est en C = (σₓ + σᵧ)/2 et son rayon vaut R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Les contraintes principales valent C ± R, et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.

Formule de changement de repère

τθ = −−60·0,9397 + 50·0,342 = 73,48 MPa

Réponse

τθ = 73,48 MPa
7.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 3,032 mm

Loi de Hooke : dans le domaine élastique, σ = E·ε. Avec σ = P/A et ε = δ/L, on obtient δ = PL/(AE).

Contrainte

A = π·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 60·1000/706,9 = 84,88 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 84,88/70000 = 0,001213 = 1213 µε

Allongement

δ = ε·L = 0,001213·2500 mm = 3,032 mm

Réponse

δ = 3,032 mm
8.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σ2 = 5,279 MPa

Deux matériaux : en série (l’un après l’autre), chaque tronçon supporte le même effort et les allongements s’additionnent : δ = P·Σ L/(E·A). En parallèle (côte à côte entre des plaques rigides), les deux parties se raccourcissent de la même quantité, donc leurs déformations sont égales : la partie la plus rigide prend la plus grande part, Pi = P·EiAi/ΣEA, et σi = Ei·ε. Une barre tenue entre deux murs rigides avec une charge à la jonction est hyperstatique : les deux tronçons se partagent la charge proportionnellement à leur rigidité k = EA/L.

Rigidités

k₁ = 200000·1257/400 = 628319 N/mm
k₂ = 110000·2827/500 = 622035 N/mm

Part du tronçon 2

F2 = 30000·622035/1,25 × 10⁶ = 14925 N

Contrainte

σ2 = 14925/2827 = 5,279 MPa (compression)

Réponse

σ2 = 5,279 MPa
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 269,2 kN

Flambement d’Euler : un poteau élancé devient instable à Pcr = π²EI/(KL)², où KL est la longueur de flambement : K = 1 pour articulé–articulé, 2 pour encastré–libre, 0,7 pour encastré–articulé et 0,5 pour encastré–encastré. Il flambe autour de l’axe ayant le plus petit I. La formule vaut pour les poteaux élancés, dont la contrainte critique reste sous la limite d’élasticité.

Plus petit moment quadratique

Une section circulaire a le même I par rapport à tout axe.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 1·1500 = 1500 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/1500² = 269152 N = 269,2 kN

Réponse

Pcr = 269,2 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 112,3 mm

Flambement d’Euler : un poteau élancé devient instable à Pcr = π²EI/(KL)², où KL est la longueur de flambement : K = 1 pour articulé–articulé, 2 pour encastré–libre, 0,7 pour encastré–articulé et 0,5 pour encastré–encastré. Il flambe autour de l’axe ayant le plus petit I. La formule vaut pour les poteaux élancés, dont la contrainte critique reste sous la limite d’élasticité.

Charge critique nécessaire

Pcr = n·P = 2·75000 = 150000 N
KL = 1·6000 = 6000 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·150000·6000²/(π³·70000))^(1/4) = 112,3 mm

Réponse

d = 112,3 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 213,7, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

11.Vibrations mécaniques

Réponse: fd = 1,137 Hz

Vibrations libres d’un système masse–ressort : la pulsation propre non amortie vaut ωn = √(k/m) en rad/s, et fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortisseur visqueux c donne le taux d’amortissement ζ = c/cc, avec l’amortissement critique cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un système sous-amorti (ζ < 1) oscille à ωd = ωn·√(1 − ζ²). Des ressorts en parallèle s’additionnent, k = k₁ + k₂ ; des ressorts en série s’additionnent par leurs inverses, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Fréquence propre non amortie

ωn = √(10000/100) = 10 rad/s
fn = 10/(2π) = 1,592 Hz

Fréquence propre amortie

fd = fn·√(1 − ζ²) = 1,592·√(1 − 0,7²) = 1,137 Hz

Réponse

fd = 1,137 Hz
12.Vibrations mécaniques

Réponse: fn = 2,99 Hz

Vibrations libres d’un système masse–ressort : la pulsation propre non amortie vaut ωn = √(k/m) en rad/s, et fn = ωn/(2π) en Hz. Un amortisseur visqueux c donne le taux d’amortissement ζ = c/cc, avec l’amortissement critique cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Un système sous-amorti (ζ < 1) oscille à ωd = ωn·√(1 − ζ²). Des ressorts en parallèle s’additionnent, k = k₁ + k₂ ; des ressorts en série s’additionnent par leurs inverses, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Raideur équivalente

Seuls k1 et k2 sont en parallèle. Cette paire est en série avec k3 ; combinez-les donc par leurs inverses.

k12 = 30 + 30 = 60 kN/m
keq = 60·25/(60 + 25) = 17,65 kN/m

Fréquence propre

ωn = √(17647/50) = 18,79 rad/s
fn = 18,79/(2π) = 2,99 Hz

Réponse

fn = 2,99 Hz

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